大傾角煤層綜采面圍巖控制及支護

韓耀文

（大同煤礦集團陽方口礦業(yè)有限公司， 山西 忻州 036702）

引言

隨著我國采煤技術的不斷提高和對煤炭需求量的增加，采礦行業(yè)逐漸向地質條件嚴峻的大傾角煤層轉移，傳統(tǒng)礦區(qū)中在地質上占有極大優(yōu)勢的煤層儲量逐漸減少，而較多的具有良好開采條件的煤礦儲量已接近枯竭，大傾角煤層開采受到人們的關注。例如，晉南和晉北的礦區(qū)有部分傾角相對較大的煤層，在對其開采的過程中，雖然已運用了較為安全的回采技術和采場圍巖控制技術，但都受到了煤層自身的多方面限制，而且安全隱患也很突出。因此，在大傾角煤層開采過程中，安全問題越來越受到重視。

對較大傾角的煤層綜合開采進行了一次仔細的技術方法研究，其主要內容為大傾角煤層在特殊地層條件下圍巖的復雜運動和地層活動狀況，并在對大傾角煤層機械化開采圍巖和工作面支護系統(tǒng)的研究中找尋關鍵點，解決了機械化開采過程中存在的技術性及核心性的問題，使煤層開采機械化進程有效推進，開采技術顯著提高[1]。

1 工作面簡述及開采技術特點概述

某礦的工作面地面標高為+18～+21 m，井下標高為 -382～-494 m，長度 900 m，傾斜長度 182～210 m。該面煤層的傾角為24°～36°，平均30°，足以見得傾角并不小，表1為煤層頂?shù)装鍘r性介紹。

表1 為煤層頂?shù)装鍘r性

該工作面采用走向長璧后退式綜合機械化采煤方式，并用全部垮落法管理頂板。同時該工作面還采用雙滾筒采煤機雙向割煤，往返一次進兩刀，效率較高，耗時較短。現(xiàn)將煤礦的綜合采集方法運用到大傾角煤層中，但由于相對緩斜煤層傾角大，使得大傾角煤層開采技術具有以下三個特點：第一，由于煤層傾角比較大，所以工作面下部的采空區(qū)便成為了頂板破斷垮落巖塊滑落的承接地。但是頂板破斷垮落巖的傾角遠不及煤層傾角之大，而且走向長壁在開采的過程中，極易在工作面傾斜方向形成不均勻填充，從而使不同的工作面或同一工作面不同位置礦壓出現(xiàn)不同，可見煤層的傾斜角過大和由此導致的工作面的不均勻填充對其造成的影響較大。第二，在大傾角煤層中實施綜采，由于支架不穩(wěn)定，而且有容易塌陷的特征和圍巖系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，從而使整個系統(tǒng)都不是特別的穩(wěn)定，我們也需要進行綜合開發(fā)。還可能由于坍塌事故可能導致不穩(wěn)定情況發(fā)生，特別是在動態(tài)負荷的傾斜方向形成大角度變形大、采場傾斜等。第三，綜合開采還有傾角過大會引起投入人力物力資源過多而又不能合理利用，造成資源的浪費[2]。

2 大傾角煤層回采支護

2.1 關于支架本身的控制

支護系統(tǒng)最基礎的部分是支架，其自身帶有的結構及其他的參數(shù)對整個支護系統(tǒng)都有著重大的影響。

為了防止支架的下滑，需要提高支架整體穩(wěn)定性，保證支架有一定的初撐力和足夠的支撐阻力。近些年來，某礦大傾角工作面，使用ZZ4400/18/38型支撐掩護式液壓支架（參數(shù)見下頁表2），支護強度滿足頂板壓力的要求，使用效果良好。想要支架長時間處于完好無損的狀態(tài)，就必須要提高支架的初撐力。要使其更加穩(wěn)定化，就像漏液、串液這種問題必須杜絕，以此來解決壓力問題。大傾角煤層對系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求，在之前的基礎上又加強了支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當傾角變大，支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性將會不斷地表現(xiàn)出來。所以，為了增加支護系統(tǒng)穩(wěn)定性，要考慮支護阻力在其中發(fā)揮的作用。通常意義上的采場支架和圍巖相互作用體系是一套完整、齊全的組合系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，支架對圍巖有影響，圍巖對支架也有影響，二者相互作用、相輔相成。系統(tǒng)運轉時圍巖的運動狀態(tài)會影響在工作狀態(tài)下支架的承載力大小，而在工作狀態(tài)下的支架也能影響圍巖的運動狀態(tài)，因此，支架在大傾角煤層的開采中發(fā)揮的作用也是取得成功的重要因素之一。在分析好巖層結構后，結合大傾角煤層的情況進行綜合分析。對工作面上覆巖層結構進行綜合分析后，有必要對大傾角長壁煤層長壁采煤法進行研究。其長壁綜采工作中，支架和圍巖相互作用可以用圖來表示[3]。

表2 ZZ4400/18/38型支撐掩護式液壓支架技術參數(shù)

2.2 支護支架受力分析

在整個工作面支護中，液壓支架作為主要的結構物是控制圍巖的重要支撐物。其在工作面受力分析如圖1所示。支架穩(wěn)定的平衡條件為：

式中：P1為支護初撐力（工作阻力）引起的圍巖對支

架的反作用力為底板對支架的支撐力分別為上、下鄰架所受擠壓力；θ為煤層傾角；G為支架自重；D為支架底座寬度；h為支架支撐高度；μ1為煤層頂板與支架間的摩擦因數(shù)；μ2為煤層底板與支架間的摩擦因數(shù)。

圖1 支架在工作面的受力分析

一般可以近似認為μ1和μ2相等，均為μ0。所以支架能夠自穩(wěn)的最大傾角為

煤層傾角θ越大，底板失穩(wěn)、滑移、破壞的可能越大。大傾角煤層綜采技術的核心就是支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性，傾角增大，工作面支護系統(tǒng)失穩(wěn)外載加大，所以要提高支護的工作阻力，加強支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。

2.3 頂板穩(wěn)定性控制

2.3.1 會受到直接頂厚度的影響

能夠影響巖層穩(wěn)定性的因素有很多，其中直接頂板厚度對工作面頂板壓力的影響最大，在日常操作中，如果基本頂離煤層的距離越遠，也就是直接頂?shù)暮穸仍酱螅瑤r層再被爆破砍斷后緩慢下沉而不是直接垮塌的成功性也越大。

工作面直接頂厚度的最佳數(shù)值約5 m，因此，如果可以將直接頂?shù)暮穸瓤刂频卯數(shù)脑?，那么頂板條件足夠為整個操作系統(tǒng)提供穩(wěn)定的支撐[5]。

2.3.2 來壓期間頂板控制措施

技術性的問題已經成為當前開采過程中的關鍵，是開采成功的重要保障。當頂板受壓時，人工爆破破碎巖體的重量與支護的穩(wěn)定性成反比。也就是說垮塌掉落的巖石越多，重量越大，支架的負擔就越大，整個支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性也就越差。為了解決這一問題，首先，應加固支架，盡可能增大支架的支撐力，以確保支撐的到位。其次，要調整好支架的基本角度，防止出現(xiàn)退山現(xiàn)象。最后，還要確保支架與頂板的接觸必須嚴絲合縫，若是想要移動支架也必須一次到位，不得有二次移動。

3 結語

大傾角煤層開采需要良好穩(wěn)定的系統(tǒng)作為支撐，在開采的過程中，通過對煤層綜采面圍巖控制機理的分析，找出對應的處理技術與處理方法，更好地加強采煤技術的研究，克服在大傾角煤層開采過程中遇到的問題和障礙。

參考文獻

[1]贠東風，谷斌，伍永平，等.大傾角煤層長壁綜采支架典型應用實例及改進研究[J].煤炭科學技術，2017，45（1）：60-67；72.

[2]伍永平，劉孔智，贠東風，等.大傾角煤層安全高效開采技術研究進展[J].煤炭學報，2014，39（8）：1 611-1 618.

[3]陸偉，楊科，楊曉杰，等.大傾角三軟厚煤層綜采工作面旋轉開采技術[J].煤炭科學技術，2014，42（7）：18-21；25.

[4]溫明明.大傾角煤層綜采面圍巖活動規(guī)律與支架適應性研究[D].北京：中國礦業(yè)大學，2014.

[5]趙啟峰，孟祥瑞，劉慶林.大傾角煤層綜采工作面安全回采技術實踐[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2007（6）：9-11；36.